estructuracion

PRINCIPIOS DE

ESTRUCTURACIN

Prof. Orlando Ramrez Boscn

Mrida, octubre de 2014

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS

PROYECTOS ESTRUCTURALES

Criterios de Estructuracin

No se puede lograr que un edificio mal estructurado

se comporte satisfactoriamente ante sismos, por

mucho que se refinen los procedimientos de

modelado, anlisis y dimensionamiento.

La experiencia en varios sismos muestra que los

edificios bien concebidos estructuralmente y bien

detallados han tenido un comportamiento adecuado,

aunque no hayan sido objeto de clculos elaborados,

y, en ocasiones, aunque no hayan satisfecho

rigurosamente los reglamentos.

Ningn modelo de anlisis estructural, por sofisticado

que sea, puede hacer que una edificacin con

configuracin inadecuada se desempee bien durante un

sismo.

Las edificaciones con formas sencillas se comportan

mejor y de manera ms confiable

Las estructuras sencillas son ms fciles de entender

Los modelos matemticos usados para el anlisis tienen

hiptesis simplificadoras que pueden ser vlidos para

estructuras sencillas



La configuracin estructural queda en buena parte

definida en el proyecto arquitectnico.

RESPONSABLE DEL

PROYECTO

ARQUITECTNICO

RESPONSABLE DEL

PROYECTO

ESTRUCTURAL

INTERACCIN

Necesidades mnimas de:

Rigidez

Resistencia

Regularidad

Consecuencias que tienen algunas decisiones arquitectnicas en

el comportamiento estructural


Es cierto que la mayora de las recomendaciones de

estructuracin para zonas ssmicas tienden a lograr

edificaciones regulares y robustas limitando

fuertemente la posibilidad de llegar a formas atrevidas

y originales. Constituye, por tanto, un DESAFO para

los proyectistas conjugar las necesidades

arquitectnicas y estructurales para lograr una

edificacin funcional, estticamente atractiva, segura y

econmica.


CARACTERSTICAS RELEVANTES DEL EDIFICIO PARA

EL COMPORTAMIENTO SSMICO

a. Peso.

Las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa

(F = ma) y, en consecuencia, al peso del edificio,

por lo tanto, debe procurarse que ste sea lo ms

liviano posible.

Una parte importante del peso de la construccin

proviene de los revestimientos y de los elementos

divisorios no estructurales. Es all donde se pueden

lograr reducciones.


Es importante evitar

masas excesivas en las

partes altas del edificio,

ya que las aceleraciones

introducidas en el mismo

crecen con la altura.

Deben evitarse fuertes diferencias en los pesos de

pisos sucesivos, porque generan variaciones

bruscas en las fuerzas de inercia y en la forma de

vibrar del edificio


Hay que tratar que el

peso del edificio est

distribuido

simtricamente en la

planta de cada piso. Una

posicin fuertemente

asimtrica generara

vibraciones torsionales.

Deben evitarse volados largos, as como vigas que

tengan grandes luces porque la componente vertical

ssmica induce fuerzas de inercia que se le agregan

a las cargas de gravedad y que conviene reducir al

mnimo.


b. Forma del edificio en planta.

Algunos aspectos de la forma en planta del edificio

propician una respuesta ssmica poco conveniente y

deben evitarse.

El aspecto principal es la asimetra en planta, que

tiende a provocar vibraciones torsionales del edificio.

FORMAS ASIMTRICAS EN PLANTA

GEOMETRIA IRREGULAR

A/L > 0.15 0.20 A/L > 0.15 0.20

A/L > 0.15 0.20

A

L

A


IRREGULARIDAD TORSIONAL



Distribucin adecuada de elementos

resistentes que haga coincidir el

centro de masa de la planta con el

centro de torsin

Separacin de la planta en cuerpos

independientes y simtricos

mediante juntas de construccin

POSIBLES SOLUCIONES

Uso de elementos estructurales

exteriores que unan las distintas

partes del edificio


Hay que evitar las alas muy alargadas en la planta del edificio, ya

que esto tiende a producir que las alas vibren en direcciones

diferentes, con lo que se producen fuertes concentraciones de

esfuerzos en las esquinas interiores.

IRREGULARIDAD DE ESQUINA REENTRANTE


SOLUCIONES PARA PLANTAS CON ALAS


Se deben evitar edificios con plantas muy alargadas.

Mientras mayor es la longitud del edificio, mayor es la

probabilidad de que acten en su base movimientos

ssmicos que difieran entre los extremos de la planta


El problema principal de las plantas muy alargadas es

que la flexibilidad del sistema de piso puede provocar

vibraciones importantes en planta, las que incrementan

sustancialmente las solicitaciones en la parte central

del edificio.


Debe evitarse alguna de las siguientes situaciones:


En caso de no ser posible, se debe adoptar alguno

de estas soluciones:


Debe evitarse las plantas con esquinas entrantes. El

problema no es muy grave a menos que las alas sean

muy largas, pero se debe buscar que la planta sea lo

ms compacta posible, para evitar las concentraciones

de esfuerzos en las esquinas entrantes.


Plantas con Esquinas Entrantes

Irregularidad de

Esquina Entrante


Plantas con Esquinas Entrantes

Posibles Soluciones


Deben evitarse las discontinuidades del diafragma

Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos

y actuar en dos direcciones perpendiculares.


SISTEMAS

ESTRUCTURALES NO

PARALELOS


Los sistemas resistentes a sismo deben ser paralelos

y actuar en dos direcciones perpendiculares.

Missouri's South Central Correctional

Center

Resistencia no balanceada

Dao localizado. Mecanismo de

colapso en circunstancias extremas.

Esquinas Reentrantes

Dao local al diafragma y elementos

unidos. Colapso en circunstancias

extremas.

Excentricidad del Diafragma y

Entrantes

Dao estructural localizado.


Sistemas Resistentes No Paralelos

Torsin e Inestabilidad. Dao

localizado.

Desplazamientos Fuera del Plano.

Muros Discontinuos.

Mecanismos de colapso en

circunstancias extremas.



c. Forma del edificio en elevacin

La sencillez, regularidad y simetra son deseables

tambin en la elevacin del edificio, para evitar que se

produzcan concentraciones de esfuerzos en algunos

pisos o amplificaciones de la vibracin en las partes

superiores del edificio.


POSIBLES SOLUCIONES


La esbeltez excesiva de la construccin puede

provocar problemas de volteo, de inestabilidad

(efecto P-D) y de transmisin de cargas elevadas a la

fundacin y al subsuelo; adems se vuelven

importantes los modos superiores de vibracin.

Segn la Norma Venezolana,

si H/A > 4, la estructura es

irregular

Segn el Reglamento de

Construcciones del D.F.

(Mxico), si H/A > 2.5 la

estructura se considera

irregular


Apartamentos Pino Suarez. Ciudad de Mxico. 1985


PORTICOS MUROS

CAMBIOS BRUSCOS EN RIGIDECES Y/O RESISTENCIAS


GRANDES MASAS

CONCENTRACIONES DE MASAS


CAMBIOS BRUSCOS EN GEOMETRIA

A/L > 0.25 A/L > 0.15 A/L > 0.10

A A A

A A L L L


Terremoto de Kobe, Japn, 1995


MURO

ARRIOSTRAMIENTO

DISCONTINUIDADES

DISCONTINUIDADES VERTICALES

ESTRUCTURACION DEL HOTEL

MACUTO - SHERATON



PISO

DEBIL

DISCONTINUIDADES EN CAPACIDAD


Hospital Olive View.

Terremoto de San Fernando,

1971


Tres Casos de Primer Piso Suave

Soluciones

Conceptuales para el

Primer Piso Suave


Irregularidad en Rigideces. Piso Suave

Mecanismo de colapso comn. Muchos

muertos y dao en eventos recientes.

Irregularidad de Peso y/o Masa

Mecanismo de colapso en circunstancias

extremas.

Irregularidad Vertical en Geometra



Irregularidad Vertical en el Plano


Discontinuidad en Capacidad. Piso Dbil

Mecanismo de colaso en circunstancias

extremas.


d. Separacin entre edificios adyacentes

Es importante guardar una separacin entre edificios

adyacentes, que sea suficiente para evitar que los

distintos cuerpos se golpeen al vibrar fuera de fase

durante un sismo.

El dao puede ser particularmente grave si los pisos

de los edificios adyacentes no coinciden en las mismas

alturas, de manera que durante la vibracin las losas

de piso de un edificio pueden golpear a media altura

las columnas del otro.

Este requisito es ms estricto para edificios fundados

en suelo blando, donde la rotacin de la base puede

incrementar significativamente el desplazamiento en la

punta.


Norma Venezolana 1756-1:2001


Norma Mexicana

GOLPETEO ENTRE

EDIFICACIONES

EXISTENTES

EFECTO DE GOLPETEO ENTRE

ESTRUCTURAS ADYACENTES

REQUISITOS BASICOS DE ESTRUCTURACIN


1.El edificio debe poseer una configuracin de

elementos estructurales que le confiera resistencia

y rigidez a cargas laterales en cualquier direccin.

Se debe proporcionar sistemas resistentes en dos

direcciones ortogonales.


2. La configuracin de los elementos estructurales debe

permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas

ssmicas desde el punto en que stas se generan (donde

haya una masa que produzca fuerzas de inercia) hasta el

terreno.

3. Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las

concentraciones de esfuerzos y las vibraciones torsionales

que puedan producirse por la distribucin irregular de

masas o rigideces en planta o en elevacin. Conviene que la

estructura sea:

a) sencilla

b) regular

c) simtrica

d) continua


4.Los sistemas estructurales deben disponer de

redundancia y de capacidad de deformacin

inelstica que les permitan disipar la energa

introducida por sismos de excepcional intensidad,

mediante elevado amortiguamiento inelstico y sin la

presencia de fallas frgiles, locales y globales.

REDUNDANCIA

ESTATICA

REDUNDANCIA

SISMICA


SISTEMAS ESTRUCTURALES BASICOS

a. Prtico Tridimensional

Formado por columnas y vigas en dos direcciones,

conectadas entre si para permitir la transmisin de

momentos flectores y proporcionar rigidez lateral a la

estructura.


b. Prtico rigidizado

Con diagonales de arriostramiento, con ncleos rgidos o

muros de relleno.

En estas estructuras la interaccin entre los dos

sistemas bsicos produce una distribucin de las fuerzas

laterales que es compleja y variable con el nmero de

pisos, pero que da lugar a incrementos sustanciales de

rigidez y resistencia.


b. Prtico rigidizado


c. Estructura tipo cajn

De paredes o muros de carga, est formada por

paneles verticales y horizontales conectados para

proporcionar continuidad.


Optimizacin de la Configuracin Estructural

Comportamiento Ssmico Optimo


Atributos de la Estructura

Ruta Contina de Carga: Carga uniforme de los elementos estructurales, sin concentracin de esfuerzos.

Relacin Altura/Base baja: Minimiza la tendencia al volteo.

Alturas de Entrepiso iguales: Iguala las rigideces de las columnas o muros. No existe concentracin de esfuerzos.

Planta Simtrica: Minimiza la torsin.

Igual Resistencia en Ambos Ejes: Elimina la excentricidad entre los centros de masa y resistencia y proporciona resistencia

balanceada en todas las direcciones, minimizando la torsin.

Resistencia Vertical Idntica: No existen concentraciones de rigidez o debilidades.

Luces Cortas: Bajo esfuerzo unitario en miembros. Mltiples columnas proporcionan redundancia. Las cargas se pueden

redistribuir si algunas columnas fallan.


Atributos de la Estructura

Elementos Sismorresistentes en el Permetro: Mxima Resistencia Torsional.

Ausencia de Voladizos: Reduce la vulnerabilidad ante aceleraciones verticales.

Sin Aberturas en Diafragmas (Entrepisos y Techo): Asegura la transferencia directa de las fuerzas laterales a los elementos

resistentes.


REQUISITOS ESPECFICOS DE ESTRUCTURACIN

El edificio debe poseer un sistema estructural que le

proporcione rigidez y resistencia en dos direcciones

ortogonales, para ser capaz de soportar los efectos

ssmicos en cualquier direccin

Muros en 1 sola direccin Losa con vigas en una sola direccin


SOLUCIONES:

Colocar muros o

arriostramientos

en la direccin

transversal

Colocar muros en dos

direcciones


La planta debe estructurarse lo ms simtrica posible,

para tratar de evitar grandes excentricidades que

produzca vibracin torsional del edificio.


Via del Mar, Chile. 1985


FALSA SIMETRA EN PLANTA


FALSA SIMETRA EN PLANTA

Posibles Soluciones


Las plantas deben poseer una alta rigidez torsional para

hacer frente a posibles torsiones accidentales. Por ello es

preferible que los elementos ms rgidos se encuentren

ubicados en su periferia y no en la parte central

PREFERIBLE


Debe evitarse que se presenten excentricidades no

slo cuando la estructura responde en su rango

lineal, sino tambin cuando alguno de sus elementos

responden no linealmente.


Se debe mantener la continuidad del sistema

estructural en elevacin


Los elementos no estructurales deben tener una distribucin

uniforme en elevacin para no crear pisos blandos.

EVITAR PLANTAS BAJAS LIBRES

MECANISMO DE COLAPSO


Se deben evitar discontinuidades de los elementos

estructurales tanto en planta como en elevacin para

evitar altas concentraciones de esfuerzos de corte y

torsin.


Existen casos en que la diferencia de altura de

columnas produce diferencias drsticas de rigidez

entre ellas, por lo que las fuerzas que absorben las

ms cortas son muy superiores.


Particularmente indeseables son las situaciones que

dan lugar a las llamadas columnas cortas, en que los efectos de las fuerzas cortantes dominan a los de

flexin y se propicia una falla de tipo frgil.

COLUMNA CORTA

FALLA POR

CORTE

EDIFICIO PALACE CORVIN. TERREMOTO DE CARACAS, 1967.

SEMISTANOS

ESTRUCTURAS CON

NIVELES

ESTRUCTURAS EN

PENDIENTE


No es conveniente que la configuracin estructural presente

vigas con relaciones luz/altura muy distintas, en que las fuerzas

se concentran en los tramos con las vigas ms cortas.

Por otra parte, conviene evitar que la relacin luz/altura de las

vigas sea pequea (menor que 4) para que no prevalezcan los

efectos de cortante sobre los de flexin.


VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES

1. Prticos Rgidos

Su principal ventaja es la gran

ductilidad y capacidad de

disipacin de energa que se

pueden lograr con este

sistema, cuando se siguen los

requisitos fijados para tal

efecto (ND3).

Dichos requisitos, adems de procurar la mayor ductilidad posible

de cada elemento estructural, tienden a que se proporcionen a

stos, resistencias relativas tales que se desarrollen mecanismos

de falla que involucren el mayor nmero posible de articulaciones

plsticas en aquellas secciones en que se disponga de mas

ductilidad.

El mecanismo de falla que se pretende propiciar con esos

requisitos es el de viga dbil columna fuerte.


MECANISMOS DE

DEFORMACIN INELASTICA

DE VIGA DEBIL COLUMNA FUERTE


Estructura de Estacionamiento. Los ngeles. Terremoto de

Wittier-Narrows, 1987


Los edificios a bases de prticos resultan en general

muy flexibles y en ellos se vuelve critico el problema

de mantener los desplazamientos laterales dentro de

los lmites prescritos por las normas.

La alta flexibilidad de los edificios a base de prticos

da lugar a que su perodo fundamental resulte en

general largo. Esto es favorable cuando el edificio

est ubicado en terreno firme, pero llega a ser

desfavorable cuando el edificio se encuentra en

terreno blando.

El campo de aplicacin de edificios de prticos

rgidos se limita a edificios de baja y mediana altura, a

menos que se recurra a prticos especiales,

particularmente robustos.


2. Sistemas de muros estructurales

El arreglo tridimensional

de muros de carga, da

lugar a edificios con

gran rigidez y

resistencia a carga

laterales.

Las proporciones de los muros son en general tales,

que domina la falla por cortante sobre la de flexin, y

por lo tanto no se pueden esperar buenas

caractersticas de disipacin de energa en el rango

inelstico.


3. Prticos rigidizados

Constituyen uno de los

sistemas ms eficientes para

soportar fuerzas ssmicas. Se

pueden mantener las ventajas

de la estructura a base de

prticos, obtenindose una

estructura con mucha mayor

rigidez y resistencia ante

cargas laterales

Por la extremada diferencia en rigidez que existe entre

las zonas rigidizadas y el resto de la estructura, las

fuerzas laterales se concentran en esas zonas y as se

transmiten a reas concentradas de la fundacin.


En estos sistemas se debe evitar concentrar la rigidez en

un pequeo nmero de elementos, y procurar distribuir de

manera uniforme en la planta de la estructura el mayor

nmero posible de elementos rgidos.


4. OTROS SISTEMAS

Separar las funciones de resistir cargas verticales por

medio de dos sistemas estructurales independientes.

DESVENTAJAS:

Alto momento de volteo en la

base del ncleo con la

consecuente transmisin de

fuerzas muy elevadas a la

fundacin


Aprovechar las fachadas para rigidizar el edificio.

DESVENTAJA

Cuidar que las relaciones

luz/altura de vigas y

columnas no sean tan

pequeas para evitar la

falla por corte.

TUBO QUE

PROPORCIONA ALTA

RESISTENCIA Y

RIGIDEZ A CARGAS

LATERALES


DESVENTAJA:

No es posible usualmente cumplir con el criterio columna

fuerte viga dbil, ya que la resistencia en flexocompresin de las columnas resulta crtica en el modo de falla.

TUBO QUE

PROPORCIONA ALTA

RESISTENCIA Y

RIGIDEZ A CARGAS

LATERALES

Edificio Nunotani.

Tokio, Japn.

El sismo como una

metfora

estructuracion

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